超快激光器（皮秒或飛秒型）在微電子設備和納米電子設備開發(fā)和生產(chǎn)用薄膜圖案加工中的應用日益廣泛，其產(chǎn)品應用包括光伏電池、顯示器、傳感器或大幅面有機電子產(chǎn)品等。超快激光器的主要優(yōu)勢包含熱效應有限、能量散發(fā)快，有助于實現(xiàn)復雜的超薄型多層薄膜結構的花色處理。
納米材料時代的來臨為極高速、高效和小型化的設備提供了新的加工可能性。但是對厚度低至單原子層的這類新型納米材料進行加工，在技術上極富挑戰(zhàn)。本文描述了用超快激光器對原子級二維碳晶格，即石墨烯進行花色處理的應用。
石墨烯與激光輻射
過去十多年間，由于其性能獨特、適用于包括光伏電池、光電子、傳感器、化學反應、儲能等在內(nèi)的多種領域，石墨烯引發(fā)了大量的關注。行業(yè)陸續(xù)開發(fā)出了多種基于硅微電子等傳統(tǒng)手段的石墨烯型技術。激光加工才剛開始被用于石墨烯設備的開發(fā)，但已經(jīng)顯示出了巨大的潛力。激光束可用于對石墨烯進行各種處理，包括激光輔助石墨烯生長（LIG， 源自碳化硅和聚酰亞胺）、在不同基材上進行花型消融、甚至是做化學改性（氧化和功能化，圖1），并可用于不同的光電子、光子、納機電系統(tǒng)（NEMS）設備的一體化。
圖1：在不同條件下，不同激光脈沖能量對于石墨烯的局部消融或氧化示意圖。
超快激光器可采用單步驟、直寫式激光工藝來替代多步光刻工藝，這對于避免因濕法加工而在石墨烯表面形成任何雜質是至關重要，且極為有益的一種工藝。
石墨烯的花紋消融
盡管厚度僅有一個或幾個原子單層那么厚，石墨烯的光吸收率在很寬的電磁波譜窗口范圍內(nèi)都相對較高。對于單層懸浮石墨烯而言， 可見光的測量值為2.3%。此外， 根據(jù)基材性質和接合面的不同， 特定基材上的石墨烯的吸收率甚至可以高10倍。當使用光子密度很高的超快激光器時，吸收率還可以進一步得到提高。
圖2：大尺寸石墨烯圖案的激光消融示例。
這為石墨烯實現(xiàn)精準和高效的激光消融提供了可能性（圖2）。電子應用通常需要將石墨烯放在位于硅基片上方的熱生長硅氧化物上。在這種結構中，石墨烯的高效吸收性能確保能夠在不損壞硅或硅氧化物（圖3）的情況下對石墨烯進行激光消融加工。
圖3：在可見皮秒激光脈沖下，結構化石墨烯（300nm）在硅氧化物/硅（SiO2/Si）的工藝圖。
由于石墨烯的厚度為原子級，有可能使用單發(fā)式的消融方法，以縮短總體加工時間。可以獲得1μm甚至更低的特征尺寸，并可使用激光誘導多光子加工方式，以實現(xiàn)亞波長分辨率。
石墨烯的光化學性
對材料表面進行光化學加工是眾所周知的方法，在光（一般是UV）輻射下，由于內(nèi)部相位的轉移或與周圍環(huán)境（氣體、蒸汽和液體）等的反應，材料性質會發(fā)生變化。最常見的利用激光加工中光化學特性的應用，是用激光輻射進行多光子聚合的增材制造工藝。它為聚合物和復合材料的3D化學加工提供了獨特的加工工具。對于同樣可以通過強UV氧化進行化學改性的碳基石墨烯，也是如此。
不管是從電子特性還是光學特性來看，石墨烯都是獨特的材料。石墨烯對非線性光學效應進行了驗證，如多光子吸收性、等離子體的產(chǎn)生（等離子體是導電材料中電子“流體”的集體激發(fā)）、Q-開關等。通過探索這些非線性光學效應，有望用高強度可見光來改變石墨烯的化學和光學特性。圖4顯示的是在氧氣/水氣氛條件下使用一款515nm的超快激光器對石墨烯進行局部氧化的典型反應。
結果是，能夠以高速加工的方式（用傳統(tǒng)光學掃描儀在高達每秒幾米的加工速度下）產(chǎn)生亞微米分辨率的自由結構（無痕）。具有極值開關和導電率差異、獲得光操縱性以及潤濕性等表面特性。這一結果非常有用，可以快速開發(fā)各種用于生物、安全或通訊領域的設備或裝置。
圖4：石墨烯氧化條紋的電子顯微照片。
石墨烯的各種技術特性遠遠超越當今用于電子、微機電系統(tǒng)（MEMS）以及微光機電系統(tǒng)（MOEMS） 中的傳統(tǒng)固態(tài)材料。這些新特性還有待進一步發(fā)掘，使激光加工的使用獲得規(guī)模更大、速度更快、重現(xiàn)性更高、純度更好的技術，以便將石墨烯集成到新的微電子平臺中。